挖填工程影響下黃土丘陵溝壑區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬研究

陳陸望, 曾 文, 許冬清, 李圣杰, 張雪芹, 殷曉曦

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

挖填工程影響下黃土丘陵溝壑區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬研究

陳陸望, 曾 文, 許冬清, 李圣杰, 張雪芹, 殷曉曦

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章以延安市新城北區(qū)一期工程為典型研究區(qū),利用FEFLOW軟件建立無硬化無導(dǎo)水、硬化無導(dǎo)水、硬化導(dǎo)水3種工況的數(shù)值模型。經(jīng)過50 a模擬,對比分析3種工況的地下水分布、埋深、變幅及地下水位動態(tài)變化,分析挖填工程影響下的地下水流時空分布及其穩(wěn)定機(jī)制。研究結(jié)果表明:原始地形是控制地下水流場的主要因素,導(dǎo)水盲溝起著輔助作用;填土硬化能減小地表水入滲與黃土濕陷的面積,導(dǎo)水盲溝使上游和開挖區(qū)地下水及早穩(wěn)定,填土硬化和導(dǎo)水盲溝措施使開挖區(qū)和上游水位下降4～10 m,填土區(qū)水位上升4～8 m;在模擬前期,次盲溝疏排效率比主盲溝疏排效率更高,主盲溝主要起到匯集地下水的作用,在40 a模擬期后,主盲溝將承擔(dān)主要疏排水工作。研究成果可為黃土丘陵溝壑區(qū)型城市“削山填谷”過程中的地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

地下水?dāng)?shù)值模擬;挖填工程;地下水流場;導(dǎo)水盲溝;黃土丘陵溝壑區(qū)

地下水是影響城市生態(tài)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)的一個重要因子,隨著人類改造自然能力的提高,規(guī)模越來越大,地下水從數(shù)量和質(zhì)量上受到影響,阻礙了城市化進(jìn)程和城市的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。延安市地處黃土丘陵溝壑區(qū),現(xiàn)政府決定拓展城市發(fā)展空間,對丘陵溝壑地區(qū)實(shí)施挖填工程建設(shè)新區(qū)[4]。但是,挖填工程改變原始地貌,破壞地下水徑流和溝谷泉水出露,改變原始地下水流場,例如，水位抬升過高導(dǎo)致黃土濕陷等[5-7]。分析挖填工程影響下地下水流的時空分布與響應(yīng),預(yù)測地下水位未來變化,在黃土丘陵溝壑區(qū)型城市“削山填谷”的災(zāi)害防治中顯得十分重要。

本文利用FEFLOW軟件,以延安市新城北區(qū)一期工程作為典型研究區(qū),建立挖填工程影響下的地下水三維數(shù)值模型[8-9],研究不同工況下的地下水水位、埋深及變幅,并從時空角度分析地下水流場的演化機(jī)制與動態(tài)變化特征,為黃土丘陵溝壑區(qū)型城市“削山填谷”過程中的地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論依據(jù)[10]。

1 研究區(qū)概況與水文地質(zhì)概化模型

1.1 研究區(qū)概況

延安市新城北區(qū)一期工程主要由主溝橋兒溝和次溝進(jìn)塔溝、劉家溝及東勝村溝組成。研究區(qū)處于北緯35°21′～37°31′、東經(jīng)107°41′～110°31′之間,屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū),平均氣溫為7.7～10.6 ℃,平均降水量為562.1 mm(最大為871.2 mm,最小為330.0 mm)。研究區(qū)內(nèi)地層按其沉積順序,由老到新依次為侏羅系、新近系和第四系。研究區(qū)原始地貌為向東南開口的谷狀地形,北、西、東三面高,中部低洼,地勢由北向南逐漸降低。研究區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育,地形破碎,溝域分水嶺海拔1 100～1 260 m,溝底海拔950～1 080 m,最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相對高差達(dá)324 m。挖填工程后,整個研究區(qū)形成地勢相對平緩的“黃土塬”。

1.2 水文地質(zhì)概化模型

1.2.1 工況概化

本文采用等效概化的方法,考慮挖填工程對含水層的影響,建立如下3種工況模型:

(1) 無硬化無導(dǎo)水(工況A)。該工況是指挖填過程中不對場地進(jìn)行填土硬化和不對溝底鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝。

(2) 硬化無導(dǎo)水(工況B)。該工況是指挖填過程中進(jìn)行填土硬化而不對溝底鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝。

(3) 硬化導(dǎo)水(工況C)。該工況是指挖填過程中進(jìn)行填土硬化和溝底鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝。

1.2.2 含水層概化

研究區(qū)挖填工程前,各溝域在下層基巖含水層中存在水量交換,而在上層黃土含水層又有明顯的地表分水嶺使其相互獨(dú)立,在上、下含水層之間存在一層不完整的新近系黏土層,如圖1所示。

圖1 研究區(qū)原始地層剖面圖

根據(jù)降水、前期勘探和觀測井等資料,按照內(nèi)插法和外推法可得到含水層初始地下水流場。挖填工程實(shí)施后,研究區(qū)場地整體地勢坡降比變小,各溝域間水力聯(lián)系更為密切,在溝底鋪設(shè)的導(dǎo)水盲溝可概化成單獨(dú)1層人工導(dǎo)水層。

整個研究區(qū)可概化為非均質(zhì)各向同性、非穩(wěn)定的空間三維地下水流系統(tǒng),含水層劃分及其特征見表1所列。

表1 研究區(qū)含水層組劃分及其特征

1.2.3 邊界條件概化

研究區(qū)原始地貌東南部橋兒溝下游地勢較低,作為地下水排泄邊界,中上游分水嶺原始地貌下不對研究區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給,作為隔水邊界。

新近系黏土隔水層之上的填土層含水層、黃土風(fēng)化含水層、黃土含水層與研究區(qū)外不存在水力聯(lián)系,作為隔水邊界;挖填改造后,地下水可能與研究區(qū)外產(chǎn)生水力聯(lián)系,設(shè)為0通量邊界。新近系黏土隔水層設(shè)為隔水邊界。侏羅紀(jì)裂隙含水層地下水在下游排泄,設(shè)為定流量邊界,其余設(shè)為0通量邊界。

在工況C中,導(dǎo)水盲溝層排泄出口設(shè)為定流量邊界,其余設(shè)為隔水邊界。

其中典型邊界如圖2所示。

圖2 典型含水層邊界

1.2.4 地層參數(shù)概化

根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)查資料以及野外和室內(nèi)試驗(yàn),得到水文地質(zhì)參數(shù)范圍,然后對模型參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修改和模型率定,最后得到的地層參數(shù)見表2所列。對于填土區(qū)黃土層、導(dǎo)水盲溝層，均按3種工況分別計算水平、垂直滲透系數(shù)。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

導(dǎo)水盲溝等效滲透系數(shù)K的計算公式為:

(1)

其中,I為水力坡降;S為過流斷面面積;Q1為過流斷面的等效流量,取降雨量最大的8月份的值換算,計算公式為:

Q1=Q2αiA

(2)

其中,Q2為8月份日均降雨量;A為研究區(qū)面積;αi為降雨入滲系數(shù)(i=1時,為無硬化降雨入滲系數(shù);i=2時,為填土硬化降雨入滲系數(shù))。

1.2.5 源匯項(xiàng)概化

研究區(qū)補(bǔ)給項(xiàng)主要為大氣降水。根據(jù)是否硬化取不同降雨入滲系數(shù),計算每種工況降雨入滲補(bǔ)給量序列[11]。橋兒溝為全排型溝谷,枯水期河流流量可看作為降雨入滲補(bǔ)給量,因此根據(jù)枯水期河流流量資料計算降雨入滲系數(shù)αi,公式為:

(3)

其中,Q為河流斷面流量;P1為平均降水量 (根據(jù)延安氣象資料,取492 mm/a);F為斷面以上流域面積。

根據(jù)實(shí)測資料計算得到無硬化降雨入滲系數(shù)α1=0.03。在填土硬化后,河流斷面流量Q減小1/3,計算得到填土硬化降雨入滲系數(shù)α2=0.02。

各工況降雨入滲補(bǔ)給量P2的計算公式為:

P2=αiP1

(4)

研究區(qū)原始地貌下各溝域地下水自分水嶺順地勢向溝谷徑流并以泉的方式向外排泄,泉的位置與流量現(xiàn)場調(diào)研得到。挖填工程后,研究區(qū)泉眼被填埋,泉排泄消失,主要以邊界或盲溝流量形式排泄。在3種工況50 a模擬預(yù)測期中,邊界條件及降雨入滲補(bǔ)給量均保持不變。

2 地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 特殊地層處理與時空離散

采用FEFLOW建模時,地層缺失即認(rèn)為連續(xù)到整個研究區(qū)域,只是在缺失部位厚度無限小(建模時取0.01 m),參數(shù)參考相鄰地層[12]。新近系黏土層受溝谷切割而導(dǎo)致地層不連續(xù),因此其溝底厚度為0.01 m,參數(shù)與風(fēng)化基巖一致。導(dǎo)水盲溝層在模型中是虛擬的一層,在溝谷設(shè)置為3 m厚的導(dǎo)水盲溝,溝谷之外厚度設(shè)置為0.01 m。采用不規(guī)則的三角剖分,在研究區(qū)邊界、巖性分區(qū)邊界和導(dǎo)水性差異大的區(qū)域網(wǎng)格加密。原始和挖填數(shù)值模型剖分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格剖分

2.2 模型率定

本文模擬時間為2013年9月22日至2064年8月30日,其中2013年9月22日至2014年8月30日為模型率定期,2014年8月30日之后為50 a模擬預(yù)測期。時間步長由模型自動控制,每次運(yùn)算都嚴(yán)格控制迭代誤差。模型率定計算后,從17個觀測井中選擇典型的4個觀測井(位置見圖2),其水位動態(tài)變化現(xiàn)場實(shí)測與模擬曲線如圖4所示。

圖4 典型觀測井地下水位動態(tài)變化現(xiàn)場實(shí)測與模擬曲線

從圖4可知,4個典型觀測井模擬水位與實(shí)際水位具有相同的變化趨勢,特別是在模擬時段后期,這種趨勢更加明顯。其他觀測井與4個典型觀測井地下水位動態(tài)變化特征一致,表明建立的數(shù)學(xué)模型和采用的參數(shù)基本符合客觀實(shí)際,可用于后續(xù)的50 a數(shù)值模擬與地下水流場預(yù)測分析。

3 討論與分析

3.1 空間效應(yīng)分析

3.1.1 水位分布

50 a模擬期末地下水位等值線分布如圖5所示。由圖5可知,3種工況水位表現(xiàn)出北高南低。工況A、工況B、工況C大部分區(qū)域水位分別位于990～1 090 m、990～1 090 m、990～1 085 m。工況A和工況B水位等值線密度幾乎相同,工況A的水位較高,主要原因是工況A填土未做硬化處理,降雨入滲量大,導(dǎo)致地下水位上升。工況A、工況B中,主溝域的水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主溝兩側(cè)水位;但在工況C中,主溝域與主溝兩側(cè)的水位差減小,使得水位等值線變得平緩,主要原因是溝底導(dǎo)水盲溝能增強(qiáng)水力聯(lián)系,起到疏水與排水作用,降低了主溝兩側(cè)的地下水位。

圖5 50 a模擬期末地下水位等值線分布

從3個工況地下水位分布對比可知,研究區(qū)挖填工程經(jīng)過長期演化后,地下水位等值線變平緩。

3.1.2 水位埋深分布

挖方區(qū)實(shí)施“削山工程”后下層原狀黃土進(jìn)行了卸荷,一定程度上可視為擾動土,而填方區(qū)為重塑黃土。根據(jù)延安黃土特點(diǎn),濕陷厚度一般在10～20 m,局部地區(qū)有30 m,考慮極限情況,將水位埋深30 m作為濕陷分界線。用地表設(shè)計標(biāo)高減去模擬末期水位,得到3種工況的水位埋深分布如圖6所示。在50 a模擬期末,3個工況總體變?yōu)橄掠嗡宦裆畋壬嫌未?“削山”工程使地表標(biāo)高降低,導(dǎo)致開挖區(qū)水位埋深比填土區(qū)小。工況A、工況B水位埋深基本在26～80 m之間,上游開挖區(qū)局部出現(xiàn)水位埋深小于30 m的黃土濕陷區(qū),填土硬化措施稍微減小黃土濕陷區(qū)。工況C的水位埋深基本在34～80 m之間,在溝底鋪設(shè)滲透性極好的導(dǎo)水盲溝后,工況C上游水位埋深增大,下游水位埋深變小,導(dǎo)水盲溝增強(qiáng)了上、下游的水力聯(lián)系,有效疏排上游地下水,只在下游回填處,地形變化導(dǎo)致水位突變,應(yīng)注意加強(qiáng)邊坡防護(hù)。

圖6 50 a模擬期末地下水位埋深等值線分布

3.1.3 水位變幅分布

原始水位減去模擬末期水位,得到工況A、工況B、工況C水位變幅分布,如圖7所示。3種工況在溝谷填土區(qū)水位上升,上升幅度為0～30 m,所占面積為4～6 km2。其中，主溝水位上升幅度最大,溝谷兩側(cè)開挖區(qū)水位下降幅度為0～20 m;邊界水位下降幅度最高,為25 m。工況A、工況B變幅分布基本一致,0 m變幅等值線明顯受原始溝谷影響,上游2條次溝受到的影響最明顯,說明沒有鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝的情況下,地下水流場主要受原始地形控制。在工況C中,填土區(qū)水位上升幅度增大,開挖區(qū)水位下降幅度增大,0 m變幅等值線向主溝填土區(qū)收縮變小,溝底的導(dǎo)水盲溝增強(qiáng)了溝谷底部導(dǎo)水性,使地下水更容易向中下游匯集排泄。

圖7 50 a模擬期末地下水位變幅分布

3.2 時間效應(yīng)分析

選取沿流程方向典型觀測井組成的3條觀測線,分別為:主溝觀測線(2#→5#→12#→17#)、次溝縱向觀測線(1#→6#→10#→14#)、次溝觀測線(8#→9#)。3種工況觀測井水位長期動態(tài)變化情況如圖8所示。

從圖8可知:

(1) 工況A、工況B主溝上游在20 a后水位趨于穩(wěn)定,沿流程方向穩(wěn)定時間逐漸延長至下游的40 a。工況C主溝上游10 a后趨于穩(wěn)定,沿流程方向逐漸延長至下游的50 a,50 a溝口水位上升速度仍然比較大。

(2) 次溝縱向挖填交界處地下水位整體上升,其中在工況A、工況B中前10 a水位上升速度快,之后迅速穩(wěn)定,地下水流場穩(wěn)定時間為沿流程方向延長。工況C挖填交界處地下水位整體穩(wěn)定時間約為10 a,其上、下游穩(wěn)定時間更短。

(3) 次溝,以進(jìn)塔溝為例,3種工況上游水位前10 a上升速度都比較快,之后迅速降低并保持穩(wěn)定。在工況A、工況B中,進(jìn)塔溝下游前30 a的水位上升明顯,在工況C中,下游40 a時水位仍上升明顯。3種工況地下水穩(wěn)定時間為沿進(jìn)塔溝流程方向延長,且水位上升速度沿流程方向增大。

(4) 3種工況地下水位在填土區(qū)上升,開挖區(qū)下降,地下水穩(wěn)定形式都為下游穩(wěn)定時間比上游長,主溝填土區(qū)穩(wěn)定時間比溝谷兩側(cè)長。

工況A的中游水位上升速度比較大,地下水流場長期受原始地形控制。填土硬化后,主溝填土區(qū)水位上升速度降低,挖填交界處和次溝水位上升速度增大,表明填土硬化雖然可以阻止主溝填土區(qū)水位上升,但會增大挖填交界處的地下水位,對降低地下水位效果不明顯。鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝后,主溝中、下游水位上升速度增大,但上游水位上升速度減小,在挖填交界處最為明顯。從3種工況地下水穩(wěn)定形式和50 a水位動態(tài)變化對比分析可知,鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝后,上游和開挖區(qū)地下水穩(wěn)定時間由20 a縮短至10 a,主溝填土區(qū)由40 a延長至50 a,且在40 a后次盲溝處水位幾乎穩(wěn)定,而主盲溝處地下水依舊活躍。上述情況表明,模擬前期,次盲溝能有效疏排開挖區(qū)和上游的地下水,使地下水向主盲溝處匯集,導(dǎo)致主溝下游地下水位上升,次盲溝疏排效率比主盲溝的疏排效率更高,主盲溝承擔(dān)匯集地下水的作用。在40 a模擬期后,開挖區(qū)和上游水位穩(wěn)定,此時主盲溝將承擔(dān)主要疏排工作。

圖8 典型觀測井與觀測線水位長期動態(tài)變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)在實(shí)施挖填工程后,開挖區(qū)地下水位隨時間緩慢下降,填土區(qū)地下水位隨時間緩慢上升,40 a后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

(2) 從空間效應(yīng)分析得出,實(shí)施挖填工程后的研究區(qū),控制地下水流場的因素主要是原始地形,填土硬化能減少地表水滲流,減小主溝填土區(qū)水位的上升,但不能保證研究區(qū)全部區(qū)域不發(fā)生黃土濕陷。鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝能有效地增大溝谷導(dǎo)水性,增強(qiáng)地下水力聯(lián)系,起到輔助原始溝谷排泄的作用。綜合分析表明,填土硬化和鋪設(shè)導(dǎo)水盲溝措施使填土區(qū)水位上升4～8 m,開挖區(qū)和上游水位下降4～10 m。

(3) 從時間效應(yīng)分析得出,實(shí)施挖填工程后3種工況的地下水穩(wěn)定形式均為下游穩(wěn)定時間比上游長,主溝填土區(qū)穩(wěn)定時間比溝谷兩側(cè)長。鋪設(shè)的導(dǎo)水盲溝能改變地下水流場穩(wěn)定形式,使上游和開挖區(qū)及早穩(wěn)定。模擬期40 a之前,次盲溝疏排效率比主盲溝的疏排效率更高,主盲溝主要承擔(dān)匯集地下水的作用。模擬期40 a之后,主盲溝將承擔(dān)主要疏排地下水工作。

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Numericalsimulationofgroundwaterflowinloesshillyandgullyareaundertheinfluenceofexcavatingandfillingengineering

CHEN Luwang, ZENG Wen, XU Dongqing, LI Shengjie, ZHANG Xueqin, YIN Xiaoxi

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Taking the first stage project of Yan’an new district as research area, three different numerical models under the conditions of no-hardening and no-drainage, hardening and no-drainage, hardening and drainage are established by FEFLOW. After 50 years of long-term numerical simulation, the distribution of groundwater level, burial depth, amplitude of variation and dynamic change of groundwater level under the three conditions are analyzed. Meanwhile, the spatio-temporal distribution of groundwater level and the evolution mechanism of groundwater flow field under the influence of excavating and filling engineering are investigated. The results show that the original landform would control the groundwater flow field after implementing excavating and filling engineering, and the artificial gravel drain plays an auxiliary role in accelerating groundwater drawdown. The rainfall infiltration and the area of the loess collapsibility would be reduced by the hardening measure, the groundwater level in the upstream and excavation area would be accelerated to steady state by artificial gravel drain. Hardening measure and artificial gravel drain make the groundwater level rise about 4～8 m in the filling area and decrease about 4～10 m in the excavation area and in the upstream. In the early simulation period, the dewatering efficiency of the secondary artificial gravel drain is higher than that of the main artificial gravel drain, and the main artificial gravel drain has a great effect on groundwater collection. However, the main artificial gravel drain will act the main function for water drainage in the 40-year simulation period. The results can provide theoretical basis for preventing the geological disaster in excavating and filling engineering in the loess hilly and gully area.

groundwater numerical simulation; excavating and filling engineering; groundwater flow field; artificial gravel drain; loess hilly and gully area

2016-05-11；

2016-10-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372244);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JZ2016HGBZ0802)

陳陸望(1973-),男,湖北蘄春人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.020

P641.2

A

1003-5060(2017)10-1404-08

(責(zé)任編輯 張淑艷)